ChinesePhysicsL的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/ChinesePhysicsL

博文

研究快讯 | 水二聚体中氢键作用的反协同效应

已有 2069 次阅读 2020-12-20 04:21 |系统分类:论文交流

1.gif

Received 16 November 2020; 

online 16 December 2020


Editors' Suggestion

Uncooperative Effect of Hydrogen Bond on Water Dimer

Danhui Li (李丹慧), Zhiyuan Zhang (张志远), Wanrun Jiang (姜万润), Yu Zhu (朱瑜), Yi Gao (高嶷), and Zhigang Wang (王志刚)

Chin. Phys. Lett. 2021, 38 (1): 013101


文章亮点

通过量子第一性原理的高精度从头算基准方法,发现水二聚体中氢键作用存在反协同效应(uncooperative effect),这个结果明显不同于长期以来形成的水中氢键作用体现协同效应(cooperative effect)的一般性认识。本工作有助于理解包括水二聚体在内的小尺寸分子间氢键作用体系能够在气相等条件下拥有较长存在寿命的原因,也可对广泛使用的密度泛函理论(DFT)方法进一步发展提供借鉴,并有助于开辟电子关联作用在氢键体系几何构象上的意义研究方向。


水二聚体中氢键作用的反协同效应


研究背景

氢键作用中的协同效应,一般被认为是纷繁复杂水结构中可被规律把握的共性特征。协同效应的存在,利于水分子不断形成更大的氢键作用体系,乃至导致了水滴等宏观水体结构的形成。这一效应在微观上体现出水分子间氢键结构(O-H···O)中O-H键长随水分子间距离的减小而增大,H-bond键长随分子间距离减小而减小。并且,这一物理图像得到了包括传统的DFT方法及相应衍生方法的计算结果支持,进一步形成了准经典模型下的广泛认同。然而不能忽视的是,如果对氢键的认识止于协同效应,我们就无法理解为何水二聚体作为最小的分子间氢键作用体系可以在气相等条件下被实验观测到,并展现较长的稳定存在寿命。这是对当前研究方法和看待问题视角的挑战,需要深刻的机制认识把握。

微信图片_20201219201530.jpg

图1:(a) 基于高精度从头算CCSD(T)方法优化得到的水二聚体稳定结构。(b) CCSD(T)方法与不同DFT方法分别计算得到的水二聚体压缩过程结构变化特性。(c) 基于CCSD(T)方法实现的水二聚体中水分子间作用能量分解分析。(d)相应于(c)中能量分解分析在特定分子间距离处的各成分所占比例。


内容简介

吉林大学原子与分子物理研究所博士生李丹慧等同学,在导师王志刚教授的指导下并与中科院上海高等研究院高嶷研究员合作,开展了大规模的理论计算研究。通过使用高精度从头算方法,发现在水二聚体平衡位置附近进行氢键压缩,当压缩量达到约0.2埃之前的起步阶段,水二聚体中展现出分子内O-H键的键长随分子间距离减小而减小以及分子间氢键(H-bond)长度随分子间距离减小而减小的现象。这和大家一般熟知并被DFT等方法获得的氢键协同效应明显区别,因此称之为反协同效应 (如图1(a)和1(b)所示)。通过全面而深入的分析,李丹慧等发现导致这一结果的根本原因是高精度从头算方法有效考虑了电子间库伦(Coulomb)作用的动态关联(如图1(c)和1(d)所示)。虽然在大范围的氢键结构变化规律上DFT方法与CCSD(T)方法的结果相协调,但由于电子动态关联的处理问题,导致了当前的主流DFT方法在氢键压缩初始阶段与反协同效应失之交臂。这一研究结果也预示着,对于我们所熟悉的水中氢键作用,会因为电子关联效应本身的量子属性,而可能展现出一些还不为我们所知的奇异结果。


研究意义和重要性

本文的发现突出了水的氢键作用中存在有反协同效应,因此有希望作为对氢键作用机制实现完整认识的重要拼图。反协同效应本质来源于电子关联的量子属性,因此本文的发现有助于揭示那些与准经典模型不同的物理现象,为进一步的氢键特性研究提供新视角,并为水的相结构以及相关氢键系统中电子关联引起的量子效应研究发挥基础性作用。


原文链接

HTML

PDF


研究快讯集锦

应变调控单层WSe2中的贝里曲率偶极矩、轨道磁化与非线性霍尔效应

量子传感可突破经典探测盲区

BaCuS2: 一种具有中等关联强度的超导体

单层有机-无机杂化卤化铅钙钛矿中的激子涡旋

反应率加权的多层核反应网络

X0(2900)和X1(2900):强子分子态或者紧束缚四夸克态?

基于标准四电极法研究笼型富氢化物LaH10的高温超导电性

原子厚度磁性双层中的巨大自旋转移矩

双层CrI3铁磁耦合效应的增强

爱因斯坦热随机行走模型的重生:一个可以计算液体与非晶固体热导率的统一公式

双轨道量子反常霍尔模型

超导序参量的压力调控

量子自旋液体候选材料NaYbSe2中高压诱导的莫特相变和超导电性

(Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se的准粒子超快动力学和电-声子耦合

大腔体压机的超高压关键技术突破

长程相互作用效应和形状效应在高密度下的耦合

高压调控准1维Ba9Fe3Te15的结构-自旋-输运性质

空间反演对称体系中隐藏自旋极化的对称性保护

利用加权迁移率和品质因数预测P型SnS晶体的潜在热电性能

热传导对流系统中的负热输运现象

中国取得铌酸锂光波导制备技术突破

芳香族多肽的自组装纤维具有超强抗磁性

石墨烯-铁磁体界面处Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的起源:层内RKKY/BR相互作用

黑磷中费米子的高温霍金辐射

在硅衬底上外延生长的铁磁性MnSn单层

三维细胞内的准二维扩散现象

拓扑反铁磁绝缘体Mn2Bi2Te5中的强动力学轴子场

一种实现高速大规模离子型量子计算的二维架构

氧化石墨烯的全新认识:水分子吸附可致氧化石墨烯常温下转换成自发动态共价材料

本征磁性拓扑绝缘体的高压原位研究

金属的油腻表叔——找到了

量⼦共振搜索

热力学量子物质中的虚时间晶体

2.jpg

点此浏览所有Express Letters

CPL Express Letters栏目简介

为了保证重要研究成果的首发权和显示度,CPL于2012年6月开设了Express Letters栏目。此栏目目前已发表国内外著名物理学家的优秀论文111篇,平均发表周期约一周。截至2019年底,平均每篇被引用约20次,已经在国内物理学界建立起良好口碑与声望,来稿数量不断增加。

CPL高被引论文数量统计

JCR统计数据表明,CPL发表的高被引论文数量在中国同类期刊中名列前茅。迄今为止,

   有1篇引用超过1000次,

   有2篇引用超过500次,

   有8篇引用超过200次,

   有26篇引用超过100次,

   有108篇引用超过50次。


3.jpg

阅读原文




https://m.sciencenet.cn/blog-3426263-1263251.html

上一篇:CPL亮点文章 | 2020年第11、12期
下一篇:权威点评 | 动力学轴子场

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 22:57

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部